真真没啥技术的我学Linux驱动 |多副面孔的CPU和它的寄存器侍卫
- 2026-02-05 00:38:17
接上一篇文章真真没啥技术的我学Linux驱动 ｜ ROM Code的“接头暗号”中使用接头暗号成功让ROMCode老爷给打开了城门。
城门被打开的刹那间，整座城池在你脚下骤然苏醒。
主街（AXI总线） 已铺开琉璃甬道，32路驿马（数据线）与32面令旗（地址线）并行奔流，指令如加密的烽火在铜轨上滑出残影。
顺着AXI主街的琉璃光流向远处望去。穿过那层层由内存管理单元（MMU） 把守的、光影变幻的Cortex-A7内城城门——这里空间被重排，虚实被映射。
在数据和指令的中心，一座皇宫赫然映入眼帘，之上笼罩着取指、译码、执行的三色光芒,在里面住着CPU内核这位皇帝。
它有几个特点：
1、手速逆天：一纳秒能完成好几件惊天动地的工作（计算、判断、跳转）。
2、年轻力强但痴呆记忆力为零：工作起来不知道疲惫，没有长期记忆，工作一完成，瞬间就忘。
3、多副面孔：每一副面孔都用来运行不同模式，解决不同事情。
正因这几个特点，看似无所不能的皇帝，实则片刻离不开它身边R0,,,,,R15“寄存器贴身侍卫”，GIC“大内总管”等一众大臣。来共同维系着i.MX6ULL这座庞大城池的秩序。
那么，这位皇帝究竟有哪几副至关重要的“面孔”？围绕在他身边的侍卫与重臣班子又是如何运作的？
本篇属于第一部分 万事开头难之入门篇
多副面孔的CPU和它的寄存器侍卫
接下来就来介绍一下CPU内核皇帝的多副面孔和它的贴身侍卫们。
User (USR) 处理日常事务，就像“微服私访”，像个普通老百姓，访问的硬件资源受限。遇到冤情还是需要当地衙门来处理（没有权限修改CSPR M[4:0]来切换模式，可以靠软中断进入SVC变相换面孔，判断要干啥）。
FIQ 快速响应中断，响应极快用于处理高频率、低延迟事情。边关八百里告急，立刻化身“御驾亲征”威武大将军，拥有自己的一套 R8–R14 fiq专职寄存器侍卫，无需保存/恢复上下文，直接调兵遣将。
IRQ普通中断，处理日常边报，虽不如FIQ快，但稳扎稳打，能处理一些相对紧急事情。
Supervisor (SVC) 平民老百姓敲了登闻鼓，有冤情？发生系统调用，立刻亲自批阅。一般操作系统使用，用于系统服务。
Monitor (MON) 皇帝不为人知的秘辛（ARM TrustZone 技术，涉及敏感操作）分为（Normal World）与（Secure World），想查看像内库私产必须不能让人知道密码。
Abort (ABT) 专门处理“非法行为”。数据中止（Data Abort）或预取中止（Prefetch Abort）——比如访问了不存在的内存或权限不足。
Hyp (HYP) 化身劳模，同时成为多个国家的真命天子（虚拟化技术，同时运行多个虚拟机）。
Undef(UND) 专治“妖言惑众”（非法指令）,CPU 遇到未定义指令。
System(SYS) 不想穿龙袍，但又要暗中掌控全局。与 User 相同的侍卫，但拥有特权级，可以访问Usr无法访问的资源，运行需要特权但又不想频繁切换模式的操作。
R0-R3 （a1-a4），用于参数传递，它们可以用作临时寄存器或调用者保存的寄存器变量，可以在调用其他函数时保存中间值。 R4-R8，R10和R11 （v1-v5、v7和v8），调用保存的寄存器，通常用作寄存器变量。 R9寄存器：在特定环境中具有特殊角色：作为静态基址寄存器（SB），指向位置无关的数据。作为线程寄存器（TR），用于线程本地存储。在不需要这些特殊功能的代码中，可作为额外的被调用者保存寄存器。 R13（在所有模式下）是堆栈指针，但在不需要堆栈操作时，也可用作通用寄存器。 R14（链接寄存器）保存子程序调用（使用分支与链接指令 BL）返回的地址。当不支持从子程序返回时，它也可以用作通用寄存器。R14_svc、R14_irq、R14_fiq、R14_abt 和 R14_und 分别用于保存中断、异常或异常处理程序中 R15 的返回值，或者在执行中断或异常处理例程时执行分支与链接指令。 R15 是程序计数器（PC），保存当前程序地址（因为三级流水线（取指、译码、执行，在 ARM 状态下它总是指向当前指令前 8 字节的位置，在 Thumb 状态下指向当前指令前 4 字节的位置）。
条件标志
N bit[31]，负条件标志。如果结果被视为二进制补码有符号整数，则当结果为负数时将N设为1，当结果为正数或零时将N设为0。 Z bit[30]，零条件标志。如果指令结果为零则设为1，否则设为0。结果为零通常表示比较结果相等。 C bit[29]，进位条件标志。如果指令导致进位条件（例如加法中的无符号溢出）则设为1。 V bit[28]，溢出条件标志。如果指令导致溢出条件（例如加法中的有符号溢出）则设为1。
Q 设置为1表示在某些指令中发生溢出或饱和， J 和Bit5 T一起使用，决定指令集状态。 
GE[3:0]，大于或等于标志，用于并行加减指令中描述的（SIMD）指令。 IT[7:2] 此字段保存了针对紧接在 IT 指令之后的一到四个指令的 IT 块的 If-Then 执行状态位。 E 控制数据访问的加载和存储端序：0小端操作、1大端操作。
A A=1禁止异步终止，A=0使能异步终止。 I I=1禁止 IRQ ，I =0使能 IRQ。 F F=1禁止 FIQ ，F=0使能 FIQ。 T 和Bit24 J一起使用，决定指令集状态。 M[4:0]不同编码时刻记录着皇帝当前用的哪副面孔，运行哪种模式。
）如下图所示，bit15-bit0均不可见。
为了给皇帝换脸速度提供情绪价值-知道自己换脸前是啥样子。
发生异常后，侍卫SPSR（备份程序状态寄存器）会保存CPSR的副本换脸前的值（硬件自动处理），这样就可以知道在进入这个模式前的一些状态，哪怕在当前模式CPSR发生更改也不影响，因为SPSR记录着呢。
在结束异常响应的时候，硬件自动从SPSR恢复值到CPSR，返回前一个模式。
除此之外，当CPU皇帝在皇宫大殿（内核）日理万机时，有一群身披玄色飞鱼服、手持绣春刀的特殊侍卫在暗处守护——他们就是锦衣卫指挥使协处理器（CP0-CP15）总揽全局,每个锦衣卫指挥使下辖多个锦衣卫千户各司其职，暗中监视众多百官（通过协处理器访问其他寄存器）。
不同于R0-R15那些时刻伴随皇帝左右的“贴身侍卫”
1、每位锦衣卫都有独特的绝密腰牌（专属指令集），只有皇帝用特定密令（MRC/MCR指令）才能调遣。
协处理器标识符 coproc，值为 p0 到 p15，对应于 CP0 到 CP15。
协处理器寄存器 CRn或CRm，值为 c0 到 c15，用于指定协处理器寄存器编号。
操作码 opc1或opc2，取值范围为 0 到 7。Rt表示通用寄存器。
2、它们不直接参与皇帝的计算事务，而是掌管着城池的深层机密与防御体系。
其中最受信任和恩宠的当属CP15，下辖C0-C15 等锦衣卫千户（主寄存器），可以通过MRC、MCR组合访问不同锦衣卫（寄存器），如配置MMU、Cache、中断向量表等等。
当皇帝想看看真正的世界，感觉有个MMU中间插一档子太费劲，就说CP15你去把它给我关起来。然后，CP15就让c1和c0查了查访问方式，通过下面命令访问SCTLR寄存器来访问资源，来操作MMU。
MRC p15, 0, <Rt>, c1, c0, 0 ; Read SCTLR into RtMCR p15, 0, <Rt>, c1, c0, 0 ; Write Rt to SCTLR
SCTLR寄存器
.........看手册吧，Bit位太多了，太长了。
C 用于Cache 和缓存一致性使能位0：禁用。1：启用。
A 内存对齐检查使能。0：禁用。1：启用。
MMU 使能。0：MMU 禁用。1：MMU 启用。
如想更改中断向量表，就让CP15安排c0和c12处理，更改中断向量表映射地址。比如改到0x8000-0000位置。
ldr r0, =0X80000000 ; r0=0X80000000MCR p15, 0, r0, c12, c0, 0
....
其他没有提到的还需要根据参考资料读手册，手册很详细。
突然，一声急报，从远处响起。。。。。。
“报——！北境有烽火骤起！”
御座上的皇帝（CPU内核）眉峰一凝，CPSR侍卫腰间令牌上的I 位和F 位忽明忽暗。它知道：这不是寻常的奏章，而是中断——那些无需圣旨、直闯殿前的紧急军情。
但皇帝并不慌乱。无论哪路急报，都将惊动那位常年驻守宫门外的 GIC 大内总管（Generic Interrupt Controller）。总管手握《中断谱册》，会依紧急程度决定，决定如何跟皇帝在何处汇报，是军机处(IRQ)还是直接面圣(FIQ)？（异常处理程序-中断向量表）。
而皇帝自己，也早练就了 “瞬目换面” 的绝技。一念之间，CPSR令牌上的 M[4:0] 悄然轮转——或是化身 FIQ 大将军，直调专属的 R8–R14 侍卫亲兵；或是转为 IRQ ，借 R13_irq、R14_irq 稳住阵脚。
可这一切，究竟是如何在一瞬之间发生的？GIC 总管如何分辨敌友？皇帝换面前又如何将身后事托付给 SPSR 与 LR？那些被暂时搁置的朝政（当前任务），又该由谁在暗中保存现场？
参考资料来自
《ARM Cortex-A Series (Armv7-A) Programmer’s Guide Version 4.0》
《ARM® Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》
